冷阴极电子枪电磁控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子束加工设备领域，具体涉及一种冷阴极电子枪电磁控制系统及其 控制方法。
【背景技术】
[0002] 电子束快速制造（EBM)技术是采用电磁系统控制电子束按照预定扫描轨迹逐层 熔化金属粉末形成功能部件的一种先进的增材制造技术。具有短周期、低成本、快速响应的 特点，EBM技术是一项军民两用技术，在某些场合具有不可替代的优越性，在航空航天、汽车 工业、石油化工、核工业、海洋船舶等领域，都潜在巨大的应用前景。电子束快速成形设备关 键技术包括电子束流发生系统、电子枪的电子光学系统等。
[0003] 目前，电子束快速成形设备大多采用热阴极电子枪产生电子束流，灯丝寿命比较 短，一般工作时间也只有数十个小时，如果加工大型零件，需要频繁更换灯丝。不但影响工 作进度，而且还会影响加工质量。
[0004] 冷阴极电子束流发生技术是利用高电压将气体放电等离子体中的电子和正离子 碰撞阴极产生的二次电子引出，经过电磁汇聚系统形成电子束的一种能够长时间工作的先 进电子束加工技术，由于阴极采用了冷却技术，一般阴极寿命长达1000小时以上。
[0005] 目前，常用的冷阴极电子枪的工作电压一般都在40kV以下，经过深入分析热阴极 电子枪与常规冷阴极电子枪结构特点后，发明了一种可以将工作电压提高到60kV以上的 高压冷阴极电子枪。灯丝寿命得到了显著提高，但仍不能满足EBM技术对高品质电子束流 的需求。EBM技术要求电子束束斑直径在0.1 mm以下，且能够快速扫描，这就需要对影响束 流品质的高电压冷阴极电子枪的电子光学系统电源及其控制系统进行重新设计。
[0006] 除了组成电子光学系统的各种电磁线圈及其驱动电路固有电参数对电子束流品 质产生影响以外，加速电压V或者^也是影响束流品质的重要参数。
[0007] 由于高压电源采用了 ac-dc-ac-dc-ac-dc的双逆变的拓扑电路，使得输出高压微 波很小，电压波动范围在±0.5%以内，因此在所发明的冷阴极电子枪的电子光学系统中， 在计算冷阴极电子枪电磁聚焦系统的焦距和电子束偏转距离时，由于电压波动对加速电压 V或者·#的影响很小，相应的电压波动对电子束焦距和偏转距离的影响可以忽略，因此， 所发明的用于EBM的冷阴极电子枪的电子光学系统的控制方法不需要将V或者^的反馈 量作为控制信号来维持焦距和偏转距离的稳定。
[0008] 因此，影响束流品质的主要因素包括：电子束束斑的焦点位置和束斑形状。现有冷 阴极电子枪的电子束流品质低，且扫描速度慢。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种冷阴极电子枪电磁控制系统，用以提高电子束流品质，使其适 用于电子束快速制造领域，该电磁控制系统包括：
[0010] 沿电子枪轴线自上而下依次安装的第一消像线圈、上聚焦线圈、第二消像线圈、下 聚焦线圈和偏转扫描线圈；
[0011] 第一消像线圈驱动电源，与第一消像线圈连接，用于给第一消像线圈提供恒定电 流，使第一消像线圈产生稳定磁场；
[0012] 上聚焦线圈驱动电源，与上聚焦线圈连接，用于给上聚焦线圈提供恒定电流，使上 聚焦线圈对从电子枪阳极射出的电子束进行一次电磁聚焦；
[0013] 第二消像线圈驱动电源，与第二消像线圈连接，用于给第二消像线圈提供可调整 的消像电流，以使不同位置扫描点的束斑形状一致；
[0014] 下聚焦线圈驱动电源，与下聚焦线圈连接，用于给下聚焦线圈提供快速变化的聚 焦电流，快速改变下聚焦线圈产生的磁场，以快速实现对电子束的二次电磁聚焦；
[0015] 偏转扫描线圈驱动电源，与偏转扫描线圈连接，用于给偏转扫描线圈提供快速变 化的电流，实现电子束的快速偏转，以使电子束快速稳定在待扫描点；
[0016] 电子束能量分布控制电路，与所述第二消像线圈驱动电源、下聚焦线圈驱动电源 和偏转扫描线圈驱动电源连接，用于计算并存储当待扫描点的焦点位置和束斑形状达到设 定要求时偏转扫描线圈中的电流大小和方向、第二消像线圈中的消像电流值和下聚焦线圈 中的聚焦电流值，并根据计算出的偏转扫描线圈中的电流大小和方向、消像电流值和聚焦 电流值控制电子束进行扫描，以使设定扫描区域内不同位置待扫描点的电子束能密度一 致。
[0017] 在一个实施例中，第一消像线圈安装在电子枪的冷阴极和放电阳极组成的放电腔 室外。
[0018] 在一个实施例中，第一消像线圈驱动电源或上聚焦线圈驱动电源包括：第一恒压 源、续流二极管Dl、N-沟道金属氧化物半导体场效应管MOSFET Q1、第一电流传感器、第一 电流采样电路、第一电流控制电路、第一电流给定电路和第一驱动电路；其中，
[0019] 第一恒压源的负端接地，第一恒压源的正端与第一消像线圈或上聚焦线圈和 N-沟道MOSFET Ql的漏极连接；续流二极管Dl并联在第一消像线圈或上聚焦线圈的两端； 续流二极管Dl的阴极与第一恒压源的正端连接；续流二极管Dl的阳极与N-沟道MOSFET Ql的漏极连接；N-沟道MOSFET Ql的源极串联第一电流传感器后连接到第一恒压源的负 端；
[0020] 第一电流传感器的输出端连接第一电流米样电路的输入端；第一电流米样电路的 输出端连接第一电流控制电路的一输入端；第一电流给定电路的输出端连接第一电流控制 电路的另一输入端；第一电流控制电路的输出端连接第一驱动电路的输入端；第一驱动电 路的输出端连接N-沟道MOSFET Ql的栅极。
[0021] 在一个实施例中，第二消像线圈驱动电源或下聚焦线圈驱动电源包括：第二恒压 源、续流二极管D2、N-沟道MOSFET Q2、第二电流传感器、第二电流采样电路、第二电流控制 电路、第二电流给定电路、第二驱动电路和第一同步控制电路；其中，
[0022] 第二恒压源的负端接地，第二恒压源的正端与第二消像线圈或下聚焦线圈和 N-沟道MOSFET Q2的漏极连接；续流二极管D2并联在第二消像线圈或下聚焦线圈的两端； 续流二极管D2的阴极与第二恒压源的正端连接；续流二极管D2的阳极与N-沟道MOSFET Q2的漏极连接；N-沟道MOSFET Q2的源极串联第二电流传感器后连接到第二恒压源的负 端；
[0023] 第二电流传感器的输出端连接第二电流采样电路的输入端；第二电流采样电路的 输出端连接第二电流控制电路的第一输入端；第二电流给定电路的输出端连接第二电流 控制电路的第二输入端；第一同步控制电路的输出端连接第二电流控制电路的第三输入 端；第二电流控制电路的输出端连接第二驱动电路的输入端；第二驱动电路的输出端连接 N-沟道MOSFET Q2的栅极。
[0024] 在一个实施例中，偏转扫描线圈包括X向线圈和Y向线圈；偏转扫描线圈驱动电源 包括用于驱动X向线圈的X向线圈驱动电源和用于驱动Y向线圈的Y向线圈驱动电源；
[0025] X向线圈驱动电源或Y向线圈驱动电源包括：第三恒压源、用于使X向线圈或Y向 线圈换向的 N-沟道 MOSFET Q3、N-沟道 MOSFET Q4、N-沟道 MOSFET Q5、N-沟道 MOSFET Q6、 用于调节X向线圈或Y向线圈中电流大小的N-沟道MOSFET Q7、第三电流传感器、第三电流 采样电路、第二同步控制电路、第三电流给定电路、扫描控制电路、第三驱动电路、第四驱动 电路和第五驱动电路；其中，
[0026] 第三恒压源的负端接地，第三恒压源的正端连接N-沟道MOSFET Q3的漏极和N-沟 道MOSFET Q4的漏极，N-沟道MOSFET Q3的源极连接X向线圈或Y向线圈的第一端，第一端 连接N-沟道MOSFET Q5的漏极，N-沟道MOSFET Q4的源极连接X向线圈或Y向线圈的第二 端，第二端连接N-沟道MOSFET Q6的漏极，N-沟道MOSFET Q6的源极连接N-沟道MOSFET Q5的源极，N-沟道MOSFET Q5的源极和N-沟道MOSFET Q6的源极连接N-沟道MOSFET Q7 的漏极，N-沟道MOSFET Q7的源极串联第三电流传感器后连接到第三恒压源的负端；
[0027] 第三电流传感器的输出端与第三电流采样电路的输入端连接；第三电流采样电路 的输出端与扫描控制电路的第一输入端连接；第三电流给定电路的输出端与扫描控制电路 的第二输入端连接；第二同步控制电路的输出端与扫描控制电路的第三输入端连接；扫描 控制电路的第一输出端与第三驱动电路的输入端连接；扫描控制电路的第二输出端与第四 驱动电路的输入端连接；扫描控制电路的第三输出端与第五驱动电路的输入端连接；
[0028] 第三驱动电路连接N-沟道MOSFET Q7的栅极；第四驱动电路连接N-沟道MOSFET Q3的栅极与N-沟道MOSFET Q6的栅极；第五驱动电路连接N-沟道MOSFET Q4的栅极与 N-沟道MOSFET Q5的栅极。
[0029] 本发明还提供了上述快速成形的冷阴极电子枪电磁控制系统的控制方法，该方 法，包括：
[0030] 在电子束偏转扫描区域内设置多个扫描检测点；
[0031] 当每个扫描检测点处的焦点位置和束斑形状达到设定要求时，逐个确定每个扫描 检测点处，第二消像线圈输出的消像电流值、下聚焦线圈输出的聚焦电流值、偏转扫描线圈 中的电流方向和大小，并将消像电流值、聚焦电流值、偏转扫描线圈中的电流方向和大小存 入电子束能量分布控制电路中的存储芯片中；
[0032] 电子束能量分布控制电路根据待扫描图案，在电子束正式扫描之前进行预扫描， 根据每个扫描检测点处的消像电流值、聚焦电流值、偏转扫描线圈中的电流方向和大小，采 用插值法，逐个计算出待扫描图案中每个待扫描点位置的第二消像线